Kohlenstoffbasierte Nanomaterialien zeigen einzigartige Eigenschaften, die sie interessant für vielfältige technische Anwendungen machen, zum Beispiel in Leichtbau und Elektronik, Energie-, Umwelt- und Medizintechnik. Ein internationales Forscherteam stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt einen neuen Ansatz zur Herstellung besonders feiner Nanodrähte aus Kohlenstoff in der Diamantkonfiguration vor. Moleküle mit diamantartiger Struktur werden dazu im Innern einer Kohlenstoffnanoröhre miteinander verknüpft.
Kohlenstoff kann in verschiedenen Formen vorkommen, von denen Graphit und Diamant die bekanntesten sind. Während Graphit aus zweidimensionalen wabenartigen Kohlenstoffschichten besteht, sind Diamanten dreidimensionale käfigartige Gerüste aus gewellten Kohlenstoffsechsringen. Daneben ist inzwischen eine Vielzahl neuer Nanokonfigurationen bekannt: Fullerene, Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphen (Graphit-Monoschichten), Nanodiamanten und Diamantoide. Diamantoide sind eigentlich mineralische Cycloalkanmoleküle mit Kohlenstoffgerüst, das wie bei Diamant aus Käfigen aufgebaut ist. Sie lassen sich als Miniaturdiamanten auffassen, an deren Außenflächen Wasserstoff gebunden ist.
Für viele Anwendungen im Nanomaßstab braucht man nanoskopische Drähte. Verschiedene Typen wurden bereits hergestellt, inzwischen auch Nanodrähte aus Kohlenstoff in der Diamantkonfiguration mit etwa 50 Nanometer bis 100 Nanometer Durchmesser. Das Forscherteam aus Japan, China, Deutschland und den USA wollte mit den Dimensionen noch weiter bis in den sub-Nanometerbereich heruntergehen. Solche winzigen Drähte könnten als Spitze für Rastersondenmikroskope interessant sein, Geräten, mit denen die Topologie einer Oberfläche in extrem hoher Auflösung abgetastet und dann abgebildet werden kann.
Die Idee der Forscher um Hisanori Shinohara von der Universität Nagoya, Japan, war, Diamantoide zu langen, superdünnen Drähten zu fusionieren. Damit dies gelingt, griffen sie zu einem Trick: Kohlenstoffnanoröhrchen, die als Gussform dienen. Als Ausgangsmaterial wählten die Wissenschaftler Diadamantan, ein Diamantoid aus zwei diamantartigen Käfigen. An beiden Seiten statteten sie das Molekül mit je einer Carbonsäure-Gruppe aus. Für die Synthese werden die Moleküle in die Dampfphase überführt. Sie werden dann wie durch Kapillarkräfte in die winzigen Kohlenstoffnanoröhren hineingesaugt. Als geeignet erwiesen sich Röhrchen mit einem Innendurchmesser von etwa 1,3 Nanometer. Im Innern der Röhrchen richten sich die Diamantoide wie Perlen auf der Schnur aus. Erhitzen auf etwa 600 °C unter Wasserstoffatmosphäre führt zu einer Polymerisation, bei der die einzelnen Diamantoidmoleküle sich über ihre Carbonsäure-Gruppen zu einem langen, etwa 0,78 Nanometer dünnen Draht verbinden. Die käfigartige Struktur bleibt erhalten.
Mithilfe theoretischer Berechnungen und verschiedener analytischer Methoden konnten die Wissenschaftler belegen, dass der Kohlenstoff in den Drähten tatsächlich in einer diamantartigen Konfiguration vorliegt. Derzeit arbeiten die Wissenschaftler eine Ultraschalltechnik aus, mit der die Nanodrähte aus den umhüllenden Nanoröhrchen freigesetzt werden können.
- Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V.
